CN116160687A - 一种曲面3d打印的误差评估方法及打印参数优化方法 - Google Patents

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CN116160687A CN202310229275.1A CN202310229275A CN116160687A CN 116160687 A CN116160687 A CN 116160687A CN 202310229275 A CN202310229275 A CN 202310229275A CN 116160687 A CN116160687 A CN 116160687A
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贺金
田小永
刘腾飞
刘鹏
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Qingdao University of Technology
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Abstract

本申请公开了一种曲面3D打印的误差评估方法及打印参数优化方法，曲面分层误差评估方法从三维模型出发，先对三维模型打印路径进行规划，然后将三维模型和打印路径相结合，根据打印参数，曲面位置和打印误差之间关系建立误差评估模型，然后根据误差评估模型找出误差分析点，计算曲面3D打印误差，最后和预期误差进行比较，判断是否制造要求。本评估方法优势在于在3D打印前能够进行评估误差，同时不需要对打印出的零件进行测量，避免了测量误差。

Description

一种曲面3D打印的误差评估方法及打印参数优化方法
技术领域
本申请属于3D打印领域，具体涉及一种曲面3D打印的误差评估方法及打印参数优化方法。
背景技术
3D打印技术具有成型能力强、自动化程度高等优点，被广泛应用于航空航天、汽车和医学等领域。然而，现有的3D打印技术大多采用平面分层的制造原理，导致打印具有曲面轮廓特征的零件时不可避免地出现阶梯效应，严重影响了零件的精度和表面质量，阻碍了3D打印技术的发展和应用。
为了解决上述问题，本领域的研究人员提出了曲面分层的3D打印方法。曲面分层是根据零件曲面特征进行切片分层，然后在曲面上生成3D打印路径，最后通过3D打印机制造零件。这种方法有效改善了打印模型的阶梯效应，但是由于3D打印的喷头结构难以与曲面轮廓完全重合，造成实际打印的零件和理想的零件在轮廓上依然存在误差。
现有误差评估方法大多利用仪器对打印后的零件进行测量和误差评估，这种方法具有评估成本高和周期长等缺点。此外，曲面分层3D打印的工艺参数直接影响零件的成型精度和效率，利用上述误差评估方法难以在零件打印前进行工艺参数的合理选择和优化。
发明内容
本申请提供了一种曲面3D打印的误差评估方法及打印参数优化方法，以实现3D打印零件误差的快速预测和评估，并为高精度零件的打印参数优化提供依据和手段。
为了实现上述目的，本申请提供了一种曲面3D打印的误差评估方法，包括以下步骤:
步骤101：利用计算机辅助设计软件建立三维曲面模型；
步骤102：对建立的曲面三维模型进行3D打印进行路径规划；
步骤103：建立误差评估模型：将曲面3D打印的路径和三维模型进行比较，计算打印参数，根据曲面位置和打印误差之间关系，得出曲面理想轮廓和实际打印轮廓的误差评估模型；
步骤104：找出误差分析点：根据误差评估模型分析出曲面3D打印误差最大的点，将打印参数的值输入步骤103确定的误差评估模型，然后利用控制变量法，确定曲面半径r、理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ对曲面3D打印误差的影响，选取对误差影响最大的半径r0和角度θ0，记为误差分析点；
步骤105：计算曲面3D打印误差：将打印间距d、打印厚度h、曲面半径r0和理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ0输入步骤103确定误差评估模型中，得出曲面3D打印的误差δ；
步骤106：评估曲面3D打印误差：将步骤105计算出的误差值δ和预期误差值δ0进行比较，评估该曲面3D打印是否满足制造要求。
在本申请的一些实施例中，步骤102中对模型进行打印路径规划具体方法包括：
1)按照曲面分层的方法规划曲面3D打印路径；
2)将平面路径投影到曲面上生成的曲面打印路径；
3)按照平面分层的方法规划曲面3D打印路径；
在本申请的一些实施例中，步骤103中建立误差评估模型，具体为：
1)按照曲面分层的方法规划曲面3D打印路径，误差分析模型为
Figure BDA0004119632410000031
2)通过在平面内规划打印路径然后投影到曲面得到曲面3D打印
路径，误差分析模型为：
Figure BDA0004119632410000032
3)根据平面分层生成的曲面打印路径，误差分析模型：
Figure BDA0004119632410000033
其中，δ为曲面3D打印的误差，r为曲面半径；θ为理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角，d为打印间距；h为打印厚度；
在本申请的一些实施例中，δ为曲面3D打印的误差，为理想曲面轮廓和实际加工曲面轮廓在局部法向量之间的距离。
在本申请的一些实施例中，还提供了一种曲面分层3D打印的参数优化方法：
步骤201：建立三维曲面模型并规划打印路径；
步骤202：根据曲面3D打印路径规划方法选择合适的误差评估模型；
步骤203：找出曲面特征点，确定误差评估模型中的曲面半径r以及理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ的值；
步骤204：将可设置的打印间距的值列为数组D并从大到小排列，命名为d1、d2、d3……dn；将可设置的打印厚度的值列为数组H并从大到小排列，命名为h1、h2、h3……hn。
步骤205：分析误差评估模型中能够对误差值产生影响的打印参数，并将该打印参数设定为变量，如果变量为打印间距，选择数组D；如果变量为打印厚度，选择数组H；
步骤206：将步骤205中选择的数组中第一个值带入误差评估模型，求出误差值δ；
步骤207：将计算得到的误差值δ和预期误差值δ0进行比较，若计算的误差值小于预期误差值，则将该打印参数设置为实际打印参数值；若计算的误差值大于预期误差值，选择步骤205中数组中下一个打印参数，不断计算比较，直到误差值小于预期误差值。
在本申请的一些实施例中，步骤203中找出曲面特征点的具体为：先确定打印间距d和打印厚度h，然后根据步骤202选择的误差评估模型分析曲面半径r、理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ对曲面误差的影响，选取对误差影响最大的半径和角度，记为曲面特征点。
本申请的曲面误差评估方法从三维模型出发，先对三维模型打印路径进行规划，然后将三维模型和打印路径相结合，根据打印参数，曲面位置和打印误差之间关系建立误差评估模型，然后根据误差评估模型找出误差分析点，计算曲面3D打印误差，最后和预期误差进行比较，判断是否制造要求。本评估方法优势在于在3D打印前能够进行评估误差，同时不需要对打印出的零件进行测量，避免了测量误差。
本申请的曲面3D打印的参数优化方法先选择合适的误差评估模型，然后通过分析误差评估模型找出曲面特征点和对误差产生影响的变量，再对打印参数进行从大到小，最后将打印参数代入误差评估模型，与预期误差值进行比较优化从而得到最优打印参数。本申请所提出的曲面分层3D打印参数优化方法相比于其他的方法，不需要频繁地进行打印，避免的时间和资源的浪费，优化了打印参数，提高打印质量，减少材料损耗和时间损失。
附图说明
为了更清楚地说明本方法实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1曲面分层3D打印误差评估方法流程图；
图2曲面分层3D打印参数优化方法流程图；
图3通过曲面分层生成的曲面打印路径的误差模型图；
图4将平面路径投影到曲面上生成的曲面打印路径误差模型图；
图5根据平面分层生成的曲面打印路径的误差模型图；
图6本申请其中一些实施例的三维模型图；
图7本申请其中一些实施例的曲面半径r和理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ与误差的影响关系曲线。
具体实例方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
在本申请的一些实施例中，获取的曲面3D打印路径是通过将平面打印路径投影到曲面上生成的，打印模型是个半圆，如图5所示。
本实例曲面分层3D打印的误差评估方法具体如下：
步骤101：利用UG NX建立三维曲面模型，如图5所示。
步骤102：对三维曲面模型进行3D打印路径规划，本实例采用的方法是在平面内规划打印路径，然后将路径投影到曲面上。
步骤103：将步骤102中规划的曲面打印路径和步骤101中三维模型进行比较，计算打印参数，曲面位置和打印误差之间关系，建立误差评估模型，实现曲面3D打印误差的精准预测，本实例采用的路径规划方法误差模型为
Figure BDA0004119632410000061
步骤104：找出误差分析点。根据误差评估模型分析出曲面3D打印误差最大的点。将打印参数的值(本实施例选取间距d＝0.04mm)输入步骤103确定误差评估模型，然后利用控制变量法，确定曲面半径r、理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ对曲面3D打印误差的影响，如图6，可以看出θ为0°和半径最小处对误差影响最大，因为本实例模型为半圆，半径相等，选择理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角为0°的点为误差分析点。
步骤105：计算曲面3D打印误差。将打印间距d、打印厚度h、曲面半径r0和理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ0输入步骤103确定误差评估模型中，得出曲面3D打印的误差δ。
步骤106：评估曲面3D打印误差。将步骤105计算出的误差值δ和预期误差值δ0进行比较，评估该曲面3D打印是否满足制造要求。
实施例2：
本实例曲面分层3D打印参数优化方法具体如下：
步骤201：建立三维模型并进行路径规划，本实例采用的模型为图5所示，打印路径规划方法是将在平面上规划好的路径投影到曲面上。
步骤202：选取合适的误差模型：
Figure BDA0004119632410000071
步骤203:确定打印间距d＝0.04mm，分析半径r和理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ与误差的影响，根据图6可以看出θ为0°和半径最小处对误差影响最大，因为本实例模型为半圆，半径相等，选择理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角为0°的点为曲面特征点。
步骤204：将可设置的打印间距的值列为数组D并从大到小排列，命名为d1、d2、d3……dn；将可设置的打印厚度的值列为数组H并从大到小排列，命名为h1、h2、h3……hn。
步骤205：本实例误差模型中对误差产生影响的参数为打印间距，打印间距为本实例的变量，选择数组D。
步骤206：选择数组D中第一个值d1代入公式计算误差值δ。
步骤207：将计算得到的误差值δ和预期误差值δ0进行比较，若计算的误差值小于预期误差值，则将该打印参数设置为实际打印参数值；若计算的误差值大于预期误差值，选择数组D中下一个打印参数，不断计算比比较，直到误差值小于预期误差值。
实施例3
与实施例1不同的是按照曲面分层的方法规划曲面3D打印路径，误差分析模型为
Figure BDA0004119632410000081
实施例4
与实施例1不同的是根据平面分层生成的曲面打印路径，误差分析模型：
Figure BDA0004119632410000082
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种曲面3D打印的误差评估方法，其特征在于，包括以下的步骤：
步骤101：利用计算机辅助设计软件建立三维曲面模型；
步骤102：对建立的三维曲面模型进行3D打印的路径规划；
步骤103：建立误差评估模型：将曲面3D打印的路径和三维曲面模型进行比较，计算打印参数，曲面位置和打印误差之间关系，得出曲面理想轮廓和实际打印轮廓的误差评估模型；
步骤104：找出误差分析点：根据误差评估模型分析出曲面3D打印误差最大的点：将打印参数的值(d和h)输入步骤103确定的误差评估模型中，利用控制变量法，确定曲面上半径r、理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ对曲面3D打印误差的影响，选取对误差影响最大的半径r0和角度θ0，记为误差分析点；
步骤105：计算曲面3D打印误差：将打印间距d、打印厚度h、曲面半径r0和理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ0输入步骤103确定误差评估模型中，得出曲面3D打印的误差δ；
步骤106：评估曲面3D打印误差：将步骤105计算出的误差值δ和预期误差值δ0进行比较，评估该曲面3D打印是否满足制造要求。
2.根据权利要求1所述的一种曲面3D打印的误差评估方法，其特征在于，步骤102中进行路径规划的方法为根据曲面分层的方法规划曲面3D打印路径或在平面内规划打印路径然后投影到曲面得到曲面3D打印路径；或根据平面分层的方法规划曲面3D打印路径。
3.根据权利要求2所述的一种曲面3D打印的误差评估方法，其特征在于，当步骤102中进行路径规划的方法为根据曲面分层的方法规划曲面3D打印路径时，误差分析模型为：
Figure FDA0004119632400000021
4.根据权利要求2所述的一种曲面3D打印的误差评估方法，其特征在于，当步骤102中进行路径规划的方法为通过在平面内规划打印路径然后投影到曲面得到曲面3D打印路径，误差分析模型为：
Figure FDA0004119632400000022
5.根据权利要求2所述的一种曲面3D打印的误差评估方法，其特征在于，当步骤102中进行路径规划的方法为根据平面分层生成的曲面打印路径，误差分析模型：
Figure FDA0004119632400000023
6.一种曲面3D打印的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤201：建立三维曲面模型并规划打印路径；
步骤202：根据曲面3D打印路径规划方法选择合适的误差评估模型；
步骤203：找出曲面特征点，确定误差评估模型中的曲面半径r以及理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ的值；
步骤204：将可设置的打印间距的值列为数组D并从大到小排列，命名为d1、d2、d3……dn；将可设置的打印厚度的值列为数组H并从大到小排列，命名为h1、h2、h3……hn；
步骤205：分析误差评估模型中可以对误差值产生影响的打印参数，并选择合适的数组，如果变量为打印间距，选择数组D；如果变量为打印厚度，选择数组H；
步骤206：将步骤205中选择的数组中第一个值带入误差评估模型，求出误差值δ；
步骤207：将计算得到的误差值δ和预期误差值δ0进行比较，若计算的误差值小于预期误差值，则将该打印参数设置为实际打印参数值；若计算的误差值大于预期误差值，选择步骤205中数组中下一个打印参数，不断计算比较，直到误差值小于预期误差值。
7.根据权利要求6所述的一种曲面3D打印的参数优化方法，其特征在于，所述步骤203中，找出曲面特征点具体为：先将打印间距d和打印厚度h确定，然后根据误差评估模型分析曲面上半径r、理想轮廓的曲面法线和打印平台的夹角θ对曲面误差的影响，选取对误差影响最大的半径和角度，记为曲面特征点。
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